技术领域
[0001] 本
发明属于
燃料电池内部热参数测量领域，涉及燃料电池内部温度和热流密度的测量，特别涉及燃料电池内部温度-热流密度联测传感器。
背景技术
[0002] 燃料电池是一种将燃料中的
化学能直接转化为
电能的清洁、高效的
能量转换装置，其
阳极发生
氧化反应，
阴极发生还原反应，质子通过燃料电池内的
质子交换膜进行传递，
电子则通过外
电路联通而产生电能，理论上其发电效率可达85％-90％，能量转化效率高达40％-60％，且不受卡诺循环的限制，由于其高效的燃料利用率及能量转换效率，故可有效的节约
能源。燃料电池最突出的特点之一是对环境的友好性，当燃料为氢气时，其产物仅为纯净的
水；当燃料为甲醇时其反应产物为水和CO2；当以
天然气等富氢气体为燃料时，可比
热机过程减少40％的CO2
排放量，由此燃料电池的使用可大大减少对环境的污染。由于燃料电池具有的高效节能、无污染、低噪声的特点，因此受到了国内外研究人员的广泛关注和研究。
[0003] 燃料电池的电化学反应全部集中在膜
电极的催化层上，其内部
传热传质对电化学反应速率有很大影响。燃料电池内部温度分布的均匀性及热量能否顺利排出电池体对膜电极上的电化学反应有着至关重要的作用，而燃料电池反应气体的浓度、水的分布、电池结构又是影响温度分布和热量传递的重要因素。因此，对于温度和热流密度的测量将有助于确定电池最佳运行工况和设计结构，找到强化传热传质的有效途径，从而提高燃料电池性能。
[0004] 由于燃料电池结构紧凑，故要测量出其内部的瞬态温度和热流密度则会非常困难。传统的测温方法大多是将微型温度传感器、
热电偶或热
电阻埋入燃料电池的流道中，或与燃料电池的膜电极
热压为一体。但这些方法也带来很大的弊端，使燃料电池膜电极不能与燃料充分反应，从而使电池的性能降低。另外，也可采用红外热成像测温法来测得燃料电池内部的温度分布。但由于燃料电池的结构封闭，要测得燃料电池内部的温度分布，需要改变电池结构，采用特殊材料制作燃料电池的端板，使此方法实施起来尤为的复杂，同时，又由于燃料电池在运行过程中会产生水，这也将严重影响
红外热成像法测温的准确性。对于燃料电池内部热流密度的测量，传统的测量方法由于传感器体积大，响应慢，因此不能真实的反应出燃料电池内部的热流密度分布。
[0005] 温度分布和热流密度分布是研究燃料电池内部传热传质影响的重要参数，
薄膜型热电偶和热流计由于其体积小，制作工艺简单，响应速度快，灵敏度高等优点，在燃料电池内部热参数测量中的应用受到了越来越多的关注。燃料电池的传热传质研究当中，往往需要同时知道燃料电池内部的温度和热流密度的变化，若分别测量燃料电池内的温度分布和热流密度分布，需要制作多组布置有传感器的
流场板，并需多次拆装燃料电池，这大大增加了工作成本，同时多次拆装燃料电池也给测量数据的对比带来许多不一致性，即使在同一燃料电池中同时植入薄膜热电偶和薄膜热流计，但其累计效果也将大大影响膜电极的有效反应面积，从而降低燃料电池的性能。
[0006] 本发明使传感器同时具备测温和测热流密度的功能，制作方法简单，工序简洁，提高了工作效率；应用此传感器，能同时监测燃料电池内部局部的温度和热流密度，减少电池多参数测量而所需的拆装次数。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种传感器能在线同步测量燃料电池内部温度和热流密度。该温度-热流密度联测传感器采用
真空蒸发镀膜方法在燃料电池流场板上蒸镀五层薄膜构成，其结构简单，制作方便，体积小，降低了传感器植入对燃料电池性能带来的影响。
[0008] 为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：燃料电池内部温度-热流密度联测传感器，其中包括燃料电池流场板1、温度-热流密度联测传感器4、引线5，且在燃料电池流场板1上设有流道2和脊3，温度-热流密度联测传感器4设置在燃料电池流场板1两相邻流道2之间的脊3上，引线5的一端与温度-热流密度联测传感器4的接线引出端相接，另一端延伸至燃料电池流场板1的边缘；燃料
电池组装时，燃料电池流场板1上布置有温度-热流密度联测传感器4的面朝向燃料电池膜电极侧并与之紧密
接触。
[0009] 所述温度-热流密度联测传感器4是由采用真空蒸发镀膜方法在燃料电池流场板1两相邻流道2之间的脊3上蒸镀的五层薄膜构成，第一层为蒸镀在燃料电池流场板1两相邻流道2之间的脊3上的厚为0.08-0.12μm的
二氧化硅绝缘层11；第二层为在
二氧化硅绝缘层11上蒸镀的厚为0.1-0.12μm的
铜镀层12；第三层为厚0.1-0.12μm的镍镀层13，第四层为蒸镀在铜镀层12和镍镀层13上方的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保护层14；
所述铜镀层12同时包括薄膜热电偶铜镀层和薄膜热流计铜镀层，所述镍镀层13同时包括薄膜热电偶镍镀层和薄膜热流计镍镀层；所述薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层的形状为长条形，中间相互搭接，搭接处构成薄膜热电偶热端结点22，首端为薄膜热电偶接线引出端21；所述薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状分别为相互平行的四边形，且首尾相互搭接，搭接处构成薄膜
热电堆，其中包括薄膜热流计上结点24和薄膜热流计下结点25，首端为薄膜热流计接线引出端23；第五层为在薄膜热流计上结点24上方再蒸镀厚为
1.2-2.0μm的二氧化硅厚热阻层15。
[0010] 所述薄膜热电偶接线引出端21和薄膜热流计接线引出端23均制作成圆形，且均布置于二氧化硅绝缘层11的同一侧。
[0011] 温度-热流密度联测传感器的制作步骤包括步骤一16、步骤二17、步骤三18、步骤四19、步骤五20；具体而言，步骤一16，根据二氧化硅绝缘层掩膜6在燃料电池流场板1两相邻流道2之间的脊3上蒸镀一层二氧化硅绝缘层11，以使温度-热流密度联测传感器的金属镀层与流场板绝缘；步骤二17，在二氧化硅绝缘层11上根据铜镀层掩膜7蒸镀一层铜镀层12；步骤三18，在蒸镀完铜镀层12的
基础上，根据镍镀层掩膜8在二氧化硅绝缘层11上蒸镀一层镍镀层13；步骤四19，在所镀铜镀层12和镍镀层13的上方根据二氧化硅保护层掩膜9蒸镀一层二氧化硅保护层14，其即作为薄膜热电偶的保护层，又作为薄膜热流计的薄热阻层；步骤五20，在薄膜热流计上结点24的上方，根据二氧化硅厚热阻层掩膜10蒸镀一层二氧化硅厚热阻层15；由以上步骤构成温度-热流密度联测传感器，外接测量电路和
数据采集设备即可实现对燃料电池内部温度和热流密度的同步测量。
[0012] 所述温度-热流密度联测传感器4中二氧化硅绝缘层11的形状可制作成方形、圆形、多边形、梯形、三
角形。
[0013] 所述的金属镀层材料中，由铜和镍组成的纯金属镀层可以选用钨和镍、铜和钴、钼和镍、锑和钴替代，也可采用金属混合物材料如铜和康铜替代。
[0014] 所述温度-热流密度联测传感器4中薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为椭圆形、弧形、波浪形、菱形以及不规则形状，相互搭接后的形状可为弧形、波浪形、锯齿形。
[0015] 所述温度-热流密度联测传感器4中薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为长条形、弧形、菱形，首尾相互搭接后的形状可为锯齿形、弧形、波浪形、Z字形。
[0016] 所述二氧化硅厚热阻层15还可位于薄膜热流计下结点25的上方。
[0017] 所述薄膜热流计中至少包括一对薄膜热流计上结点24、薄膜热流计下结点25。
[0018] 所述薄膜热电偶接线引出端21和薄膜热流计接线引出端23可分别对称布置在二氧化硅绝缘层11的两侧，其形状还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形。
[0019] 所述引线5的宽度为0.05-0.1mm，是由采用真空蒸发镀膜方法蒸镀的四层薄膜构成：第一层为厚0.08-0.12μm的引线二氧化硅绝缘层26，第二层为厚0.1-0.12μm的引线铜镀层27，第三层为厚0.1-0.12μm的引线金镀层28，最上一层为厚0.05-0.1μm的引线二氧化硅保护层29。
[0020] 引线二氧化硅绝缘层26与引线铜镀层27和引线金镀层28在形状、
位置和尺寸上均一致，引线二氧化硅保护层29与前三层在形状和位置上相同，但在靠近流场板边缘处，要略短于前三层；
[0021] 所述燃料电池流场板1上流道2的形状可为平行流道、蛇形单通道流道、蛇形多通道流道、插指型流道流、不规则流道。
[0022] 与
现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
[0023] 本发明采用真空蒸发镀膜方法在燃料电池流场板上蒸镀五层薄膜而构成温度-热流密度联测传感器，具有同步监测燃料电池内部温度和热流密度的功能；其具有结构简单，制作方便，工序简洁，工作响应时间快，线性度好的优点；其能布置在燃料电池流场板上任一位置对温度和热流密度进行同步测量，不仅适用于平行流道流场板，还适用于蛇形流道、插指型流道或不规则形流道的流场板。
附图说明
[0024] 图1为温度-热流密度联测传感器在平行流道流场板上布置的主观示意图；
[0025] 图2为燃料电池流场板上单个温度-热流密度联测传感器的主观示意图；
[0026] 图3为燃料电池流场板上单个温度-热流密度联测传感器的制作
流程图；
[0027] 图4为温度-热流密度联测传感器引线的截面主观示意图；
[0028] 图5为温度-热流密度联测传感器在插指型流道流场板上布置的主观示意图；
[0029] 图6为温度-热流密度联测传感器在蛇形单通道流道流场板上布置的主观示意图；
[0030] 图7为温度-热流密度联测传感器在蛇形多通道流道流场板上布置的主观示意图；
[0031] 图中，1、燃料电池流场板，2、流道，3、脊，4、温度-热流密度联测传感器，5、引线；
[0032] 6-10为温度-热流密度联测传感器各镀层掩膜：6、二氧化硅绝缘层掩膜，7、铜镀层掩膜，8、镍镀层掩膜，9、二氧化硅保护层掩膜，10、二氧化硅厚热阻层掩膜；
[0033] 11-15为根据掩膜蒸镀的温度-热流密度联测传感器各镀层：11、二氧化硅绝缘层，12、铜镀层，13、镍镀层，14、二氧化硅保护层，15、二氧化硅厚热阻层；
[0034] 16-20为温度-热流密度联测传感器的制作步骤：16、步骤一，17、步骤二，18、步骤三，19、步骤四，20、步骤五；
[0035] 21、薄膜热电偶接线引出端，22、薄膜热电偶热端结点，23、薄膜热流计接线引出端，24、薄膜热流计上结点，25、薄膜热流计下结点；
[0036] 26、引线二氧化硅绝缘层，27、引线铜镀层，28、引线金镀层，29、引线二氧化硅保护层。
具体实施方式
[0037] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0038] 参照图1所示，本发明的燃料电池内部温度-热流密度联测传感器包括燃料电池流场板1，温度-热流密度联测传感器4，引线5；在燃料电池流场板1上设有流道2和脊3，温度-热流密度联测传感器4设置在燃料电池流场板1两相邻流道2之间的脊3上，引线5的一端与温度-热流密度联测传感器4的接线引出端相接，另一端延伸至燃料电池流场板1的边缘，用于传递传感器测头产生的电
信号；燃料电池组装时，燃料电池流场板1上布置有温度-热流密度联测传感器4的面朝向燃料电池膜电极侧并与之紧密接触。
[0039] 参照图2所示，本发明所述温度-热流密度联测传感器4是由采用真空蒸发镀膜方法在燃料电池流场板1两相邻流道2之间的脊3上蒸镀的五层薄膜构成：第一层为蒸镀在燃料电池流场板1两相邻流道2之间的脊3上的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅绝缘层11，第二层为在二氧化硅绝缘层11上蒸镀的厚为0.1-0.12μm的铜镀层12，第三层为厚为0.1-0.12μm的镍镀层13，第四层为蒸镀在铜镀层12和镍镀层13上方的厚为0.08-0.12μm的二氧化硅保护层14，第五层为在薄膜热流计上结点24上方再蒸镀厚为
1.2-2.0μm的二氧化硅厚热阻层15。
[0040] 薄膜热流计的测量原理为：由薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层首尾相互搭接构成热电堆，其搭接处构成薄膜热流计上结点和薄膜热流计下结点。由于薄膜热流计上结点和薄膜热流计下结点上的二氧化硅镀层厚度不同，从而使热电堆产生温差电势，其与上结点和下结点上二氧化硅镀层的厚度差相关，而热流密度与温差、二氧化硅热阻层厚度差及导热系数相关，由于二氧化硅导热系数已知，故可计算出热流密度的大小。
[0041] 图3为单个温度-热流密度联测传感器的制作流程图：6-10为温度-热流密度联测传感器各镀层掩膜，11-15为根据掩膜蒸镀的温度-热流密度联测传感器各镀层，16-20为温度-热流密度传感器的制作步骤。步骤一16，根据二氧化硅绝缘层掩膜6在燃料电池流场板上蒸镀一层二氧化硅绝缘层11，以使温度-热流密度联测传感器的金属镀层与流场板绝缘；步骤二17，在二氧化硅绝缘层11上根据铜镀层掩膜7蒸镀一层铜镀层12，其同时包括薄膜热电偶铜镀层和薄膜热流计铜镀层；步骤三18，在蒸镀完铜镀层的基础上，根据镍镀层掩膜8在二氧化硅绝缘层11上蒸镀一层镍镀层13，其同时包括薄膜热电偶镍镀层和薄膜热流计镍镀层；步骤四19为在所镀铜镀层12和镍镀层13的上方根据二氧化硅保护层掩膜9蒸镀一层二氧化硅保护层14，其即作为薄膜热电偶的保护层，又作为薄膜热流计的薄热阻层；步骤五20，在薄膜热流计上结点24的上方，根据二氧化硅厚热阻层掩膜10蒸镀一层二氧化硅厚热阻层15；由以上步骤构成温度-热流密度联测传感器，外接测量电路和数据采集设备即可实现对燃料电池内部温度和热流密度的同步测量。
[0042] 其中，温度-热流密度联测传感器的整体形状是由二氧化硅绝缘层的形状来决定的，其不仅可以制作成图3所示的方形，还可制作成圆形、多边形、梯形、三角形、不规则图形等其它形状。步骤二17和步骤三18中蒸镀的薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层的形状为长条形，中间相互搭接，搭接处构成薄膜热电偶热端结点22，用以实现温度的测量；薄膜热电偶铜镀层和薄膜热电偶镍镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为椭圆形、弧形、波浪形、菱形以及不规则形状等其它形状，相互搭接后的形状可为弧形、波浪形、锯齿形等。薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状分别为相互平行的四边形，首尾相互搭接，搭接处构成热电堆，其中至少包括一对薄膜热流计上结点24、薄膜热流计下结点25，加之二氧化硅保护层和二氧化硅厚热阻层，由此构成薄膜热流计，实现热流密度的测量；薄膜热流计铜镀层和薄膜热流计镍镀层的形状是根据掩膜的形状而设定的，其形状还可以为长条形、弧形、菱形等，搭接后形状可为锯齿形、弧形、波浪形、Z字形等其它形状，二氧化硅厚热阻层15还可位于薄膜热流计下结点25的上方。薄膜热电偶和薄膜热流计中，由铜和镍组成的纯金属镀层还可以选用钨和镍、铜和钴、钼和镍、锑和钴等替代，也可采用金属混合物材料如铜和康铜替代。
[0043] 薄膜热电偶的首端为薄膜热电偶接线引出端21，薄膜热流计的首端为薄膜热流计接线引出端23，其作用为方便与引线5相连，进行
电信号的传导。薄膜热电偶接线引出端21与薄膜热流计接线引出端23不仅可以制作成图3所示的圆形，还可为椭圆形、矩形、梯形、三角形等其它形状，其位置可都布置在二氧化硅绝缘层11的同一侧，也可对称的布置在二氧化硅绝缘层11的两侧，以方便传感器引线5在流场板上的布置。
[0044] 参照图4所示，引线5是由采用真空蒸发镀膜方法蒸镀的四层薄膜构成，其宽度为0.1-0.2mm：第一层为厚0.08-0.12μm的引线二氧化硅绝缘层26，第二层为厚0.1-0.12μm的引线铜镀层27，第三层为厚0.1-0.12μm的引线金镀层28，最上一层为厚0.05-0.1μm的引线二氧化硅保护层29。其中，引线二氧化硅绝缘层26与引线铜镀层27和引线金镀层
28在形状、位置和尺寸上均一致，引线二氧化硅保护层29与前三层在形状和位置上相同，但在靠近流场板边缘处，要略短于前三层，用于与数据采集设备的引线相连接。
[0045] 图5为温度-热流密度联测传感器在插指型流道流场板上的布置示意图，在插指型流道流场板的脊上布置有温度-热流密度联测传感器4，引线5一端与温度-热流密度联测传感器接线引出端相接，另一端延伸至流场板边缘。
[0046] 图6为温度-热流密度联测传感器在蛇形单通道流道流场板上的布置示意图，在流场板的脊上布置有温度-热流密度联测传感器4，引线5一端与温度-热流密度联测传感器接线引出端相接，另一端延伸至流场板边缘。
[0047] 图7为温度-热流密度联测传感器在蛇形多通道流道流场板上的布置示意图，在流场板的脊上布置有温度-热流密度联测传感器4，引线5一端与温度-热流密度联测传感器接线引出端相接，另一端延伸至流场板边缘。
[0048] 本发明的温度-热流密度联测传感器是由采用真空蒸发镀膜方法在燃料电池流场板上蒸镀的五层薄膜构成，能同步在线监测燃料电池内部任意位置温度和热流密度的大小；并且其结构简单，制作容易，体积小，布置在燃料电池内部对燃料电池的性能影响小。
